Circuito de ECG simples e programa de frequência cardíaca do LabVIEW: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Um eletrocardiograma, ou ainda conhecido como ECG, é um sistema de diagnóstico e monitoramento extremamente poderoso usado em todas as práticas médicas. Os ECGs são usados para observar a atividade elétrica do coração graficamente para verificar se há anormalidades na frequência cardíaca ou na sinalização elétrica.

A partir de uma leitura de ECG, a frequência cardíaca dos pacientes pode ser determinada pelo espaçamento de tempo entre os complexos QRS. Além disso, outras condições médicas podem ser detectadas, como um ataque cardíaco pendente por uma elevação do segmento ST. Leituras como essa podem ser cruciais para diagnosticar e tratar um paciente de maneira adequada. A onda P mostra a contração do átrio do coração, a curva QRS é a contração ventricular e a onda T é a repolarização do coração. Saber até mesmo informações simples como essa pode diagnosticar rapidamente os pacientes com função cardíaca anormal.

Um ECG padrão usado na prática médica tem sete eletrodos colocados em um padrão semicircular leve ao redor da região inferior do coração. Esta colocação de eletrodos permite o mínimo de ruído durante a gravação e também permite medições mais consistentes. Para o nosso propósito de circuito de ECG criado, usaremos apenas três eletrodos. O eletrodo de entrada positiva será colocado no pulso interno direito, o eletrodo de entrada negativa será colocado no pulso interno esquerdo e o eletrodo de aterramento será conectado ao tornozelo. Isso permitirá que as leituras sejam feitas no coração com relativa precisão. Com esta colocação de eletrodos conectados a um amplificador de instrumentação, um filtro passa-baixa e um filtro de entalhe, as formas de onda de ECG devem ser facilmente distinguidas como um sinal de saída do circuito criado.

NOTA: Este não é um dispositivo médico. Isso é para fins educacionais, usando apenas sinais simulados. Se estiver usando este circuito para medições reais de ECG, certifique-se de que o circuito e as conexões do circuito ao instrumento estejam utilizando técnicas de isolamento adequadas

Etapa 1: construir amplificador de instrumentação

Para construir uma instrumentação de vários estágios com um ganho de 1000 ou 60 dB, a seguinte equação deve ser aplicada.

Ganho = (1 + 2 * R1 / Rgain)

R1 é igual a todos os resistores usados no amplificador de instrumentação, exceto o resistor de ganho que, de certo modo, fará com que todo o ganho seja envolvido no primeiro estágio do amplificador. Ele foi escolhido para ser 50,3 kΩ. Para calcular o resistor de ganho, este valor é conectado à equação acima.

1000 = (1 + 2 * 50300 / Retoma)

Rgain = 100,7

Depois que esse valor é calculado, o amplificador de instrumentação pode ser construído como o seguinte circuito mostrado nesta etapa. Os OP / AMPs devem ser alimentados com 15 volts positivo e negativo, conforme mostrado no diagrama do circuito. Os capacitores de bypass para cada OP / AMP devem ser colocados perto do OP / AMP em série com a fonte de alimentação para amortecer qualquer sinal CA vindo da fonte de alimentação para o aterramento para evitar que os OP / AMPs fritem e qualquer ruído adicional que possa contribuir para o sinal. Além disso, para testar o ganho real dos circuitos, o nó do eletrodo positivo deve receber uma onda senoidal de entrada e o nó do eletrodo negativo deve ser conectado ao aterramento. Isso permitirá que o ganho do circuito seja visto com precisão com um sinal de entrada de menos de 15 mV pico a pico.

Etapa 2: construir o filtro passa-baixa de 2ª ordem

Um filtro passa-baixa de 2ª ordem foi usado para remover o ruído acima da frequência de interesse para o sinal de ECG, que era 150 Hz.

O valor K usado em cálculos para o filtro passa-baixo de 2ª ordem é o ganho. Como não queremos nenhum ganho em nosso filtro, escolhemos um valor de ganho de 1, o que significa que a tensão de entrada será igual à tensão de saída.

K = 1

Para um filtro Butterworth de segunda ordem que será usado para este circuito, os coeficientes aeb são definidos abaixo. a = 1,414214 b = 1

Primeiro, o segundo valor do capacitor é escolhido para ser um capacitor relativamente grande que está prontamente disponível no laboratório e no mundo real.

C2 = 0,1 F

Para calcular o primeiro capacitor, as seguintes relações entre ele e o segundo capacitor são usadas. Os coeficientes K, a e b foram inseridos na equação para calcular qual deveria ser esse valor.

C1 <= C2 * [a ^ 2 + 4b (K-1)] / 4b

C1 <= (0,1 * 10 ^ -6 [1,414214 ^ 2 + 4 * 1 (1-1)] / 4 * 1

C1 <= 50 nF

Como o primeiro capacitor é calculado para ser menor ou igual a 50 nF, o valor do capacitor a seguir foi escolhido.

C1 = 33 nF

Para calcular o primeiro resistor necessário para este filtro passa-baixo de segunda ordem com uma frequência de corte de 150 Hz, a seguinte equação foi resolvida usando os valores de capacitor calculados e os coeficientes K, a e b. R1 = 2 / [(frequência de corte) * [aC2 * sqrt ([(a ^ 2 + 4b (K-1)) C2 ^ 2-4bC1C2])]

R1 = 9478 Ohm

Para calcular o segundo resistor, a seguinte equação foi usada. A frequência de corte novamente é 150 Hz e o coeficiente b é 1.

R2 = 1 / [bC1C2R1 (frequência de corte) ^ 2]

R2 = 35,99 kOhmApós calcular os valores acima para os resistores e capacitores necessários para um filtro notch de segunda ordem, o circuito a seguir foi criado para mostrar o filtro passa-baixo ativo que será usado. O OP / AMP é alimentado com 15 volts positivo e negativo, conforme mostrado no diagrama. Os capacitores de bypass são conectados às fontes de alimentação para que qualquer sinal CA que saia da fonte seja desviado para o aterramento para garantir que OP / AMP não seja prejudicado por este sinal. Para testar este estágio do circuito de ECG, o nó do sinal de entrada deve ser conectado a uma onda senoidal e uma varredura CA de 1 Hz a 200 Hz deve ser realizada para ver como o filtro funciona.

Etapa 3: construir o filtro de entalhe

O filtro notch é uma parte extremamente importante de muitos circuitos para medir sinais de baixa frequência. Em baixas frequências, o ruído CA de 60 Hz é extremamente comum, pois é a frequência da corrente CA que atravessa edifícios nos Estados Unidos. Esse ruído de 60 Hz é inconveniente, pois está no meio da banda de passagem para o ECG, mas um filtro de entalhe pode remover frequências específicas enquanto preserva o resto do sinal. Ao projetar este filtro de entalhe, é muito importante ter um fator de alta qualidade, Q, para garantir que a rolagem do corte seja nítida em torno do ponto de interesse. Abaixo detalha os cálculos usados para construir um filtro de entalhe ativo que será usado no circuito de ECG.

Primeiro, a frequência de interesse, 60 Hz, deve ser convertida de Hz para rad / s.

frequência = 2 * pi * frequência

frequência = 376,99 rad / segundo

Em seguida, a largura de banda do corte de frequências deve ser calculada. Esses valores são determinados de uma maneira que garante que a frequência principal de interesse, 60 Hz, seja completamente cortada e apenas algumas frequências adjacentes sejam ligeiramente afetadas.

Largura de banda = Cutoff2-Cutoff1

Largura de banda = 37.699 O fator de qualidade deve ser determinado a seguir. O fator de qualidade determina o quão nítido é o entalhe e quão estreito o corte começa. Isso é calculado usando a largura de banda e a frequência de interesse. Q = frequência / largura de banda

Q = 10

Um valor de capacitor prontamente disponível é escolhido para este filtro. O capacitor não precisa ser grande e definitivamente não deve ser muito pequeno.

C = 100 nF

Para calcular o primeiro resistor usado neste filtro de entalhe ativo, a seguinte relação foi usada envolvendo o fator de qualidade, a frequência de interesse e o capacitor escolhido.

R1 = 1 / [frequência 2QC *]

R1 = 1326,29 Ohm

O segundo resistor usado neste filtro é calculado usando a seguinte relação.

R2 = 2Q / [frequência * C]

R2 = 530516 Ohm

O resistor final para este filtro é calculado usando os dois valores de resistor anteriores. Espera-se que seja muito semelhante ao primeiro resistor calculado.

R3 = R1 * R2 / [R1 + R2]

R3 = 1323 Ohm

Depois que todos os valores dos componentes são calculados usando as equações descritas acima, o seguinte filtro de entalhe deve ser construído para filtrar com precisão o ruído CA de 60 Hz que interromperá o sinal de ECG. O OP / AMP deve ser alimentado com 15 volts positivo e negativo conforme mostrado no circuito abaixo. Os capacitores de bypass são conectados a partir das fontes de alimentação no OP / AMP para que qualquer sinal CA proveniente da fonte de alimentação seja desviado para o aterramento para garantir que o OP / AMP não frite. Para testar esta parte do circuito, o sinal de entrada deve ser conectado a uma onda senoidal e uma varredura AC deve ser realizada de 40 Hz a 80 Hz para ver a filtragem do sinal de 60 Hz.

Etapa 4: Crie um programa LabVIEW para calcular a freqüência cardíaca

O LabVIEW é uma ferramenta útil para executar instrumentos e também coletar dados. Para coletar dados de ECG, uma placa DAQ é usada para ler as tensões de entrada a uma taxa de amostragem de 1 kHz. Essas tensões de entrada são então enviadas para um gráfico que é usado para exibir a gravação de ECG. Os dados coletados passam por um localizador de máx. Que emite os valores máximos lidos. Esses valores permitem que um limite de pico seja calculado em 98% da saída máxima. Depois, um detector de pico é usado para determinar quando os dados são maiores do que esse limite. Esses dados, juntamente com o tempo entre os picos, podem ser usados para determinar a freqüência cardíaca. Este cálculo simples determinará com precisão a frequência cardíaca a partir das tensões de entrada lidas pela placa DAQ.

Etapa 5: Teste

Depois de construir seus circuitos, você está pronto para colocá-los para funcionar! Primeiro, cada estágio deve ser testado com uma varredura CA de frequências de 0,05 Hz a 200 Hz. A tensão de entrada não deve ser superior a 15 mV pico a pico, para que o sinal não seja prejudicado pelas limitações de OP / AMP. Em seguida, conecte todos os circuitos e execute uma varredura AC completa novamente para se certificar de que tudo está funcionando corretamente. Depois de estar satisfeito com a saída de seu circuito completo, é hora de conectar-se a ele. Coloque o eletrodo positivo em seu pulso direito e o eletrodo negativo em seu pulso esquerdo. Coloque o eletrodo de aterramento em seu tornozelo. Conecte a saída do circuito completo à sua placa DAQ e execute o programa LabVIEW. Seu sinal de ECG agora deve estar visível no gráfico de forma de onda no computador. Se não estiver ou estiver distorcido, tente diminuir o ganho do circuito para cerca de 10, alterando o resistor de ganho de acordo. Isso deve permitir que o sinal seja lido pelo programa LabVIEW.